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Entrada: A Comprehensive Guide To Wave Soldering Temperature

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Guía completa de la temperatura de soldadura por ola

El papel crítico de la temperatura en la soldadura por ola

La soldadura por ola es un proceso de soldadura a granel que forma parte integrante de la fabricación moderna de productos electrónicos, concretamente para fijar componentes con orificios pasantes a placas de circuitos impresos (PCB). En este método altamente eficaz, una placa de circuito impreso llena de componentes se desplaza a lo largo de un sistema transportador, pasando por encima de una bandeja de soldadura fundida. Dentro de la bandeja, una bomba genera una ola continua de soldadura que baña la parte inferior de la placa, creando al mismo tiempo fuertes uniones metalúrgicas en cada uno de los cables de los componentes. Aunque esta técnica es la piedra angular de la producción en serie, su éxito depende fundamentalmente del control preciso de numerosos parámetros, siendo la temperatura la variable más crítica. Para obtener una visión general completa, puede consultar un desglose detallado en nuestro guía paso a paso del proceso de soldadura por ola.

El proceso completo de soldadura por ola puede segmentarse en tres etapas térmicas esenciales, cada una de las cuales desempeña un papel distinto y vital en la calidad final de la unión soldada.

  1. Aplicación de fundentes: Aunque no es una etapa térmica en sí misma, la aplicación de fundente es el requisito previo indispensable para el calentamiento. Se aplica una capa fina y uniforme de fundente a la superficie de la placa antes de que entre en las zonas calentadas. La función principal del fundente es actuar como agente químico de limpieza, eliminando los óxidos y otros contaminantes superficiales de las almohadillas metálicas y los cables de los componentes. Estas capas de óxido, si no se tratan, impedirían que la soldadura humedeciera correctamente las superficies, lo que daría lugar a uniones débiles o inexistentes. La etapa de precalentamiento posterior es la que activa el fundente, permitiéndole realizar esta función crucial.
  2. Precalentamiento: Esta es la primera etapa crítica de temperatura controlada. El conjunto de placas de circuito impreso se calienta gradualmente hasta alcanzar una temperatura objetivo específica antes de entrar en contacto con la ola de soldadura fundida. Este paso es vital por varias razones. En primer lugar, minimiza el riesgo de choque térmico para la placa de circuito impreso y sus componentes. La exposición brusca a la alta temperatura de la ola de soldadura puede hacer que los materiales se dilaten demasiado rápido, lo que provocaría grietas en los componentes o la delaminación de las capas de la placa de circuito impreso. [Fuente: AMTECH]. En segundo lugar, el proceso de precalentamiento activa adecuadamente el fundente, garantizando que fluya y limpie con eficacia. Por último, al reducir el diferencial de temperatura entre la placa y la soldadura fundida, un precalentamiento adecuado ayuda a evitar una serie de defectos de soldadura y garantiza una humectación más uniforme.
  3. Onda de soldadura: Este es el corazón del proceso, donde tiene lugar la acción de soldar. La placa de circuito impreso se mueve a través de una ola dinámica de soldadura fundida, que debe mantenerse a una temperatura extremadamente precisa. En el caso de las soldaduras modernas sin plomo, como la SAC305 (estaño-plata-cobre), esta temperatura suele situarse en un estrecho margen entre 255 °C y 265 °C. [Fuente: EpecTec]. Si la temperatura de la soldadura es demasiado baja, puede provocar una mala humectación, huecos y "uniones frías" poco fiables. Por el contrario, si la temperatura es demasiado alta, puede causar daños térmicos en componentes electrónicos sensibles, provocar la delaminación del sustrato de la placa de circuito impreso y acelerar la formación de escoria (óxidos) en el crisol de soldadura, lo que degrada la calidad de la soldadura. Dominar la curva térmica precisa no es negociable, un tema tratado en profundidad en nuestra guía sobre la perfil de soldadura por ola sin plomo.

En última instancia, el control de la temperatura es la piedra angular del éxito de la soldadura por ola. Cada fase del perfil térmico -desde el aumento gradual en la zona de precalentamiento hasta la temperatura máxima de la ola de soldadura y el enfriamiento controlado posterior- debe diseñarse y gestionarse meticulosamente. Sin esta precisión, los fabricantes corren el riesgo de producir ensamblajes electrónicos poco fiables, plagados de defectos como la formación de puentes y la formación de hielo, lo que compromete tanto la calidad del producto como la fiabilidad a largo plazo. Para saber cómo se compara este método con otros, consulte nuestro artículo sobre soldadura por ola frente a soldadura por reflujo.

Entender el perfil térmico de la soldadura por ola

Conseguir una unión soldada impecable y fiable mediante la proceso de soldadura por ola no se trata de una única temperatura, sino de dominar un perfil térmico cuidadosamente controlado. Este perfil es un gráfico tiempo-temperatura que dicta el recorrido térmico del montaje de la placa de circuito impreso. Se compone de tres etapas críticas: precalentamiento, contacto de la ola de soldadura y enfriamiento. Ejecutar este perfil con precisión es esencial para activar el fundente, evitar el estrés térmico y garantizar la formación de una sólida unión intermetálica.

1. Etapa de precalentamiento

La etapa de precalentamiento es la fase inicial y más larga del perfil térmico. Su objetivo principal es aumentar gradual y uniformemente la temperatura de todo el conjunto de placas de circuito impreso. Este aumento controlado de la temperatura es crucial para evitar el choque térmico, un fenómeno que puede causar grietas microscópicas en los componentes o provocar la deformación de la placa. Esta etapa también cumple la función vital de activar el fundente líquido, permitiendo que sus agentes químicos eliminen eficazmente los óxidos de las superficies metálicas que se van a soldar. Es primordial controlar la velocidad de subida de la temperatura; por lo general, la velocidad de aumento debe mantenerse por debajo de 2-4 ºC por segundo. Antes de que la placa entre en contacto con la ola de soldadura, la temperatura de su parte superior debería situarse entre 100°C y 130°C. [Fuente: Epec Engineered Technologies]. Un precalentamiento insuficiente puede provocar una activación incompleta del fundente y graves tensiones térmicas, mientras que un precalentamiento excesivo puede consumir prematuramente el fundente o degradar componentes sensibles.

2. Etapa de contacto de onda de soldadura

Esta es la fase central en la que se produce la soldadura propiamente dicha. A medida que la placa de circuito impreso pasa por el soldador, una ola dinámica de soldadura fundida entra en contacto con la parte inferior de la placa, fluyendo hacia los orificios pasantes chapados y alrededor de los cables de los componentes. La duración de este contacto, conocido como tiempo de permanencia, suele ser muy breve, de sólo unos segundos. La temperatura de la ola de soldadura es el parámetro más crítico en esta fase y depende de la aleación de soldadura utilizada.

  • Soldadura con plomo (por ejemplo, Sn63/Pb37): Estas aleaciones tradicionales tienen un punto de fusión más bajo, y la temperatura típica de funcionamiento de la ola de soldadura oscila entre 240°C y 250°C (464°F - 482°F).
  • Soldadura sin plomo (por ejemplo, aleaciones SAC): Impulsadas por la normativa medioambiental, las soldaduras sin plomo son ahora la norma del sector. Debido a sus puntos de fusión más altos, requieren una temperatura de ola significativamente más alta, generalmente entre 260°C y 270°C (500°F - 518°F). [Fuente: PCB Technologies].

Mantener una temperatura estable y uniforme en toda la ola es vital para crear cordones de soldadura uniformes y de alta calidad. Para fabricantes que se enfrentan a las complejidades de las aleaciones modernas sin plomo, dominar el perfil de soldadura por ola sin plomo es una clave absoluta para lograr el éxito en la producción.

3. Etapa de refrigeración

Inmediatamente después de salir de la ola de soldadura, la PCB entra en la fase final de enfriamiento. No se trata de un proceso pasivo; la velocidad de enfriamiento debe gestionarse con cuidado para garantizar la formación de una estructura de juntas de soldadura fuerte y de grano fino. Si el ensamblaje se enfría demasiado rápido (enfriamiento de choque), puede inducir tensiones internas, dando lugar a uniones frágiles o microfracturas que pueden fallar posteriormente. Por el contrario, si el proceso de enfriamiento es demasiado lento, puede dar lugar a la formación de una estructura de grano grueso, lo que debilita la resistencia mecánica de la unión. La velocidad de enfriamiento ideal suele ser inferior a 5 °C por segundo. [Fuente: OurPCB]. Este descenso controlado de la temperatura permite que la soldadura se solidifique en una unión metalúrgica robusta, fijando permanentemente los componentes en su sitio.

Cómo influyen las características de la placa de circuito impreso en el perfil térmico requerido

No se puede conseguir una unión soldada perfecta con un enfoque único. El perfil de temperatura ideal debe adaptarse cuidadosamente a las características físicas y materiales únicas de cada conjunto específico de placa de circuito impreso. La optimización de cualquier proceso de soldadura, desde la ola hasta el reflujo, requiere un profundo conocimiento de cómo influyen variables como el grosor de la placa, la densidad de los componentes y el tipo de material en la absorción y distribución del calor. Si utiliza métodos basados en hornos, encontrará una guía detallada sobre la creación de estos perfiles en nuestro artículo sobre ajuste del perfil de temperatura del horno de reflujo.

Grosor de la placa de circuito impreso y masa térmica

El grosor y el número de capas de una placa de circuito impreso son factores determinantes de su masa térmica, es decir, de la cantidad de energía térmica necesaria para elevar su temperatura. Una placa gruesa de varias capas tiene una masa térmica mucho mayor que una fina de una sola cara. Durante el precalentamiento, necesitará más energía y tiempo para alcanzar la temperatura objetivo de manera uniforme. Si la fase de precalentamiento es demasiado corta o la temperatura es demasiado baja, el núcleo interno de la placa puede permanecer frío, lo que provocará juntas de soldadura frías cuando llegue a la ola de soldadura. Por el contrario, si se aplica un perfil diseñado para una placa de gran masa a una de poca masa, se producirá un sobrecalentamiento que podría dañar los componentes o provocar la delaminación de la placa. [Fuente: Epec Engineered Technologies]. El perfil debe ajustarse, a menudo ampliando la duración en las zonas de precalentamiento o aumentando la temperatura, para garantizar que todo el conjunto alcance el equilibrio térmico.

Densidad y distribución de los componentes

El tamaño, la cantidad y la ubicación de los componentes también contribuyen significativamente a la masa térmica total y a su distribución por la placa. Un conjunto densamente poblado de componentes de gran tamaño, como Ball Grid Arrays (BGA), Quad Flat Packages (QFP) y disipadores de calor, absorbe y distribuye el calor de forma muy diferente a una placa con una disposición dispersa de componentes pequeños y discretos. Los componentes grandes pueden actuar como disipadores de calor, alejando la energía térmica de las juntas de soldadura y creando "sombras térmicas" que impiden que los componentes cercanos más pequeños alcancen la temperatura necesaria. Una placa Perfil de temperatura de reflujo de PCB a menudo incorpora una zona de "remojo", un periodo de temperatura sostenida, para permitir que toda la placa se iguale, garantizando que todos los componentes se calienten uniformemente antes del pico de temperatura final. [Fuente: Anda Technologies]. Este principio también se aplica a la fase de precalentamiento en la soldadura por ola.

Material de la placa y aleación de soldadura

Aunque el FR-4 es el material de sustrato más extendido, las aplicaciones especializadas exigen materiales con propiedades térmicas únicas. Los circuitos de alta frecuencia pueden utilizar material Rogers, mientras que las aplicaciones de alta potencia suelen depender de placas de circuito impreso con núcleo metálico (MCPCB). Estos materiales tienen diferentes conductividades térmicas, lo que afecta drásticamente a la propagación del calor. Los MCPCB, por ejemplo, están diseñados para disipar el calor de forma muy eficiente, lo que dificulta el mantenimiento de la temperatura de soldadura necesaria en la unión. El perfil de temperatura debe ser más agresivo para compensar esta rápida disipación del calor sin sobrecalentar las piezas sensibles a la temperatura. Además, la propia aleación de soldadura es un factor crítico. Las soldaduras tradicionales de estaño-plomo (SnPb) tienen un punto de fusión de unos 183°C. En cambio, las aleaciones modernas sin plomo, como la SAC305, tienen puntos de fusión más altos, normalmente entre 217°C y 221°C. Esto requiere un perfil mucho más caliente, con temperaturas máximas para la soldadura por reflujo que alcanzan de 235°C a 250°C, lo que supone 20-30°C más que lo necesario para la soldadura con plomo. [Fuente: PCB Technologies]. Utilizar el perfil incorrecto puede provocar un desastre, desde una fusión incompleta de la soldadura hasta graves daños térmicos. Para más información, consulte nuestro profundización en el proceso de soldadura por reflujo.

Defectos comunes de soldadura causados por temperaturas incorrectas

La temperatura es la clave para conseguir uniones soldadas de alta calidad. Cuando el perfil térmico es incorrecto, pueden surgir diversos defectos de soldadura comunes y a menudo costosos. Saber identificar, diagnosticar y corregir estos problemas ajustando los parámetros de temperatura es esencial para garantizar la fiabilidad a largo plazo de cualquier ensamblaje electrónico.

Juntas frías

Una unión fría se produce cuando la soldadura no se funde por completo y no fluye correctamente, lo que da lugar a una conexión deficiente y poco fiable entre el cable del componente y la almohadilla de la placa de circuito impreso. Estas uniones se identifican visualmente por su aspecto opaco, gris, rugoso o grumoso, y carecen del acabado brillante y reluciente de una buena unión soldada. Desde el punto de vista eléctrico, constituyen un grave problema, ya que suelen provocar fallos intermitentes difíciles de solucionar.

  • Diagnóstico: La causa principal de una unión fría es casi siempre un calor insuficiente. Esto puede deberse a que la temperatura del soldador sea demasiado baja, a que la aplicación de calor sea demasiado breve o a que una placa de masa grande expulse el calor de la junta con demasiada rapidez. [Fuente: All About Circuits]. En los procesos automatizados, indica que el precalentamiento ha sido insuficiente o que la temperatura máxima ha sido demasiado baja. Para profundizar en este tema, consulte nuestra guía sobre solución de juntas frías en soldadura por reflujo.
  • Resolución: La reparación de juntas frías requiere ajustar el perfil térmico para suministrar más energía térmica a la junta. Esto puede implicar aumentar la temperatura máxima de la ola de soldadura o del horno de reflujo, o ampliar el tiempo por encima del líquido (TAL), es decir, el tiempo durante el cual la soldadura permanece totalmente fundida. También es fundamental una fase de precalentamiento sólida, ya que garantiza que todo el conjunto se encuentre a una temperatura elevada, evitando que la placa actúe como un disipador de calor masivo durante la fase final de soldadura. [Fuente: Epec Engineered Technologies].

Puentes de soldadura

El puenteado de soldadura es un defecto en el que una cantidad excesiva de soldadura forma una conexión eléctrica no intencionada entre dos o más almohadillas o cables de componentes adyacentes. Estos "cortocircuitos" pueden provocar averías inmediatas en los circuitos y son especialmente difíciles de detectar cuando se producen en componentes densos como las matrices de bolas (BGA).

  • Diagnóstico: La formación de puentes suele deberse a la deposición de demasiada pasta de soldadura o a un perfil térmico incorrecto que permite que la soldadura fluya sin control. En concreto, una velocidad de rampa de precalentamiento demasiado agresiva puede hacer que la pasta de soldadura se desplome y se extienda antes de fundirse, lo que aumenta significativamente la probabilidad de que se formen puentes. [Fuente: Techno]. La inspección óptica (manual o automatizada) es el principal método para detectar este defecto.
  • Resolución: Ajustar el perfil térmico es una solución clave. Reducir la velocidad de rampa de precalentamiento puede minimizar el desprendimiento de la pasta de soldadura. Además, la optimización de la temperatura de pico es crucial; si es demasiado alta, puede reducir excesivamente la tensión superficial y la viscosidad de la soldadura, haciendo que fluya más allá de las almohadillas. En la soldadura por ola, el ajuste de la velocidad del transportador, la aplicación de fundente y la dinámica de la ola de soldadura también son estrategias eficaces, como se detalla en nuestras mejores prácticas para reducir los puentes de soldadura.

Choque térmico

El choque térmico describe los daños o fracturas que se producen en una placa de circuito impreso o en sus componentes debido a los rápidos cambios de temperatura. Los distintos materiales utilizados en el montaje de una placa de circuito impreso, como el sustrato FR-4, las pistas de cobre y los cuerpos de los componentes cerámicos, se dilatan y contraen a velocidades diferentes (coeficiente de dilatación térmica). Un aumento brusco de la temperatura genera una enorme tensión mecánica que puede provocar grietas catastróficas.

  • Diagnóstico: Este defecto suele aparecer en forma de grietas microscópicas en el cuerpo de los componentes, especialmente en componentes frágiles como los condensadores cerámicos multicapa, o en las propias juntas de soldadura. Estas grietas suelen ser invisibles a simple vista, pero pueden propagarse con el tiempo, provocando fallos latentes en el campo. Es más probable que se produzca un choque térmico cuando la diferencia de temperatura entre las zonas de precalentamiento y de pico de soldadura es demasiado grande y la transición es demasiado rápida [Fuente: Conductive Containers].
  • Resolución: La solución definitiva es controlar estrictamente la velocidad de rampa dentro del perfil térmico. Para la mayoría de los procesos de soldadura, una velocidad de rampa de 1 a 3 ºC por segundo es una pauta segura y recomendada tanto para el calentamiento como para el enfriamiento. Un aumento gradual y lineal de la temperatura permite que los diversos materiales de la placa se expandan y contraigan uniformemente, minimizando la tensión interna. Para obtener información específica, consulte nuestra guía completa sobre dominar el perfil de temperatura de reflujo de las placas de circuito impreso.

Fuentes

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